##(已经打印)分泌型免疫球蛋白A的研究进展

分泌型免疫球蛋白A的研究进展

张宝中1，2，冉多良2，童贻刚1

1．军事医学科学院微生物流行病研究所，病原微生物生物安全国家重点实验室，北京100071；

2．新疆农业大学动物医学学院，新疆乌鲁木齐830052

［摘要］大部分感染都起源于黏膜表面，而黏膜免疫的主要抗体是分泌型免疫球蛋白A（SIgA），它能有效地阻断病原体的感染和侵入。SIgA是由1个IgA二聚体、1条J链和1个分泌片（SC）共价结合构成的异源十聚体。IgA和J链由活化B细胞产生，SC则由黏膜上皮细胞合成。SIgA分子具有极高的稳定性和极强的抗微生物活性。我们就SIgA合成的相关机制、IgA 单体和SIgA的结构与功能，以及重组SIgA的研究进展简要综述。

［关键词］分泌型免疫球蛋白A；多聚免疫球蛋白受体；重组分泌型免疫球蛋白A

［中图分类号］R392．1［文献标识码］A［文章编号］1009－0002(2009)02－0263－03

Advances in Research on Secretory Immunoglobulin A

ZHANG Bao－Zhong1,2,RAN Duo－Liang2,TONG Yi－Gang1

1．State Key Laboratory of Pathogen and Biosecurity,Institute of Microbiology and Epidemiology,Academy of Military Med-ical Sciences,Beijing100071;2．College of Veterinary Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052;China

［Abstract］The majority of infections origin from the mucous membrane surface．The mucosa immunity mainly relies on secretory immunoglobulin A(SIgA),which blocks infection and invasion of the pathogens effectively．SIgA is composed of an IgA dimer,a J chain and a secretory component(SC),which forms a hetero－decamer by covalent interactions．IgA and J chain are produced by activated B cells,while SC is synthesized by mucous membrane epithelial cells．SIgA molecules are extremely stable and have very high anti－microbe activity．In this review we summarized the SIgA synthesis related mechanism,structure and functions of IgA monomer and SIgA,as well as the advances in recombinant SIgA．

［Key words］secretory immunoglobulin A(SIgA);poly immunoglobulin receptor;recombinant SIgA

doi:10．3969／j．issn．1009－0002．2009．02．032综述

分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，SIgA）是20世纪60年代初在外分泌液中发现的一种IgA抗体，主要存在于乳汁、胃肠液、呼吸道分泌液等外分泌液中。SIgA分子是由2个IgA单体（每个单体含2条轻链和2条重链）、1条J链和1条分泌片（secretory component，SC，为多聚免疫球蛋白受体的胞外裂解片段）构成的异源十聚体[1]，为了与血清IgA单体相区别而被命名为SIgA。研究表明，SIgA是外分泌液中存在的一种主要抗体，是呼吸道、消化道、泌尿生殖道等抵御病原体及有害物质的第一道免疫防线，是机体黏膜免疫最重要的抗体[2－4]。

1分泌型IgA合成的相关机制

二聚体IgA（dIgA）或多聚体IgA（pIgA）从浆细胞分泌出来后，在上皮细胞的嗜碱性侧与多聚免疫球蛋白受体（poly im-munoglobulin receptor，pIgR）以共价健形成dIgA－pIgR或pIgA－pIgR复合物，然后通过内吞作用和转运被运输到黏膜外侧，此后完整的SIgA分子通过pIgR分裂（pIgR C端跨膜部分和胞内部分在黏膜上皮细胞内降解）释放出来。SIgA在保护机体免受黏膜表面的微生物侵袭方面起着非常重要的作用，其合成与抗原提呈、淋巴细胞归巢迁移（trafficking）及周围环境中的细胞因子均有很大关系[5]。在黏膜免疫诱导部位，抗原加工、提呈后，形成针对抗原的IgA型B细胞。在此过程中，B细胞的分化、增殖有赖T 细胞的帮助[6]。其中多种Th2样因子参与了诱导部位B细胞增殖、分化，相关因子包括TGF－β、IL－4等。前体B细胞在诱导部位内进行同种型转换（isotype switch），形成膜表面抗体IgA阳性的B细胞，同种型转换是形成IgA型浆细胞的关键之一。体外研究发现[7]，在TGF－β作用下，B细胞基因重排，使Cα基因得以表达，从而使其转型为IgA型B细胞。但有研究证实IL－4的作用远高于TGF－β。在体内实验中[8]，证实IL－4是调控B细胞在PP （潘氏结）内分化的主要因子，IL－4－／－小鼠失去合成IgA的功能，提示IL－4对于IgA的合成十分重要。

2SIgA的结构特征

IgA在分泌物中主要以二聚体形式存在，SIgA是由十肽组成的免疫球蛋白，来自2个不同的细胞系，沉降系数为11S，它包含2个单体的IgA、1条J链和1个分泌片，它们通过共价结合就形成所谓的SIgA。

［收稿日期］2008－08－06

［基金项目］国家自然科学基金（30872223）

［作者简介］张宝中（1982－），男，硕士研究生

［通信作者］童贻刚，（E－mail）tongyg＠hotmail．com

单体IgA主要存在于血清中，含量较低，其沉降系数为7S，相对分子质量约为165×103，是重链为α的免疫球蛋白。IgA分子由2条κ链或2条λ链和2条α链构成，α链稍大于γ链。IgA 经木瓜蛋白酶水解可以得到3个大小相当的片段，其中有2个相同的片段因具有抗原特异性结合能力，而被称为抗原结合片段（fragment antigen binding，Fab）。另一个片段是含有Cα2和Cα3的重链片段，它能从溶液中结晶出来，呈明显的均一性，故被称为结晶片段（fragment crystallizablc，Fc），Fc不能结合抗原，但具有各类Ig的抗原决定簇及生物活性，Ig的许多效应功能由Fc部分介导。Fab和Fc之间有一个铰链区（hinge region），它的存在可以保证抗体分子的柔性，从而使抗体分子的许多结合位点在空间上能与抗原相互作用。人类的IgA包括IgA1和IgA2共2个亚型[9]，它们由不同的基因表达。IgA1和IgA2的最大不同之处在于IgA1的铰链区比IgA2多13个氨基酸残基[3]。IgA2有3种亚型，即IgA2m（1）、IgA2m（2）[10]和IgA2n[11]。

人类J链是相对分子质量约15×103的多肽，与其他物种的J 链高度同源。人J链基因有4个外显子，外显子1编码前导肽，外显子2～4编码含有137个氨基酸残基的成熟肽[12]，J链基因不是Ig基因簇的一部分，它定位于15号染色体。人类J链有8个半胱氨酸残基，Cys15和Cys69通过二硫键与IgA的α链相连，其他6个半胱氨酸残基形成链内二硫键（Cys13∶Cys101，Cys72∶Cys92，Cys109∶Cys134）[13]。Johansen[14]等发现，J链C端对于IgA聚合体的形成并非必要，但对于保持与SC的亲和力有着重要的作用；同时他们也发现，2个链内二硫键（Cys13∶Cys101和Cys109∶Cys134）对于SC的结合是不可缺少的，但对于IgA聚合体形成则可有可无，仅Cys15或Cys69的存在就足够保持多聚体IgA的稳定性。J链产生于合成IgA和IgM的浆细胞中，而且也产生于合成IgG的未成熟浆细胞，但它并不与IgG分子结合。用J链－／－鼠实验发现pIgA不能与SC结合，也不能被表达SC的上皮细胞有效转运，这说明J链参与了SC介导的转运。J链不仅是SC结合IgA的重要媒介，而且还在通过调节IgA结构而影响IgA在细胞内装配中起重要作用。

SC是上皮细胞上的pIgR的一部分，pIgR为免疫球蛋白超家族成员。pIgR由上皮细胞产生，与pIgA特别是dIgA相结合，成为IgA聚合体的转运受体，是SIgA的重要组成部分。人Fc介导了pIgA和pIgR的相互作用，pIgR细胞外部分包含5个与免疫球蛋白相似的功能域（D1～D5）。其中D1在与dIgA的Cα3功能域非共价结合过程中起了重要的作用，D5与IgA的Cα2共价结合使复合物分子更加稳定。正是SC的存在，使SIgA对蛋白酶的敏感性下降，黏液更黏稠，增强了黏附作用及防御能力。在SIgA的运输过程中，pIgR的细胞外部分与分泌性抗体结合成为固定SC，即我们经常所指的SC，可抵抗蛋白酶的降解，从而起到稳定SIgA的作用。有些未与SIgA结合的pIgR分子也被转运到黏膜外侧，并通过水解与细胞脱离，形成游离SC，与固定SC相似，亦为相对分子质量为80×103的蛋白。SC是黏膜免疫系统的重要组分，参与SIgA形成和分泌[15]，在SC－／－转基因小鼠中，由于SC基因的缺失，不能进行pIgA的选择性上皮运输，导致该小鼠完全没有黏膜免疫功能。

3SIgA的功能

与普通的抗体分子相比，SIgA具有许多优良特性。SIgA分子中的J链将2个IgA单体连接起来，由于每个IgA单体具有2个抗原结合部位，因此每个SIgA抗体即有4个抗原结合位点（四价），从而比普通抗体分子具有更高的亲和力[16]。SIgA具有很高的稳定性，其在黏膜表面的半衰期为IgG的3倍，其在人体外分泌道中的保护作用可以持续4个月以上[16]。这种高稳定性主要是由以下几种因素所致：一是由于SIgA的铰链区较之其他抗体分子短，而铰链区是最容易受到蛋白酶攻击的部位，铰链区的缩短有利于抵抗蛋白酶的降解[1]；二是由于SIgA的分泌片高度稳定，其多糖侧链具有防止蛋白酶降解的作用，分泌片对抗体分子的包裹使整个抗体分子变得十分稳定[17－18]。此外，分泌片还赋予SIgA特殊的免疫保护作用：首先，分泌片具有非特异性的病原微生物中和活性[19]；其次，分泌片上的糖基黏附于黏膜上皮，更使SIgA整齐地排列在黏膜表面，形成隔离保护层，可有效地阻止病毒的入侵[18]。

4重组SIgA

基因工程抗体药物是现代免疫学和生物工程技术的重要产物，已经发展成为一大类市场上热销的产品，约占整个生物类药品的1／3[20－21]。已经上市的抗体药物主要用于器官移植及肿瘤、免疫性疾病和心血管疾病等，仅有一种抗病毒感染的抗体药物。但是，处于临床前研究和临床研究的抗病毒感染抗体药物数量却很多，抗病毒基因工程抗体已经成为一个研究热点[22－25]。目前已上市和处于研发阶段的抗体多为IgG类型，还没有IgA或SIgA 抗体产品上市，国外有一些研究小组在进行基因工程SIgA研究，而国内尚未见到SIgA基因工程抗体的报道。

天然的SIgA是由2种不同细胞产生的，IgA单体和J链由浆细胞产生，分泌片则由黏膜上皮细胞合成。SIgA的相对分子质量比较大，约为400×103（单体IgA约为165×103，SC约为80×103，J链约为15×103），组装起来相当困难，尽管如此还是有许多SIgA的表达和组装系统被建立。Ma[16,26]等利用转基因烟草表达了鼠源SIgA抗体的κ链、重链、J链及兔的SC，且在植物中组装成分泌型抗体。而Johansen[27]等证明，经共转染的哺乳动物细胞（CHO）也能够组装完整的SIgA分子。Berdoz[28]等也利用CHO细胞共转染建立了稳定转染的细胞株，该细胞株能高效表达人鼠嵌合IgA抗体的重链和轻链、人J链和人SC，并能产生高浓度的、具有抗原特异性的人鼠嵌合单体IgA、dIgA和SIgA抗体。Chintalacharuvu[29]等分别在CHO细胞和淋巴瘤细胞中表达和组装了不同形式的IgA分子，并发现二者的表达产物在不同形式的IgA组分（单体、二聚体和分泌型）上有所区别。上述一系列实验说明，利用抗体工程的手段，在单个非免疫细胞中表达SIgA 的4种多肽链，并组装成具有天然结构和功能的SIgA分子是完全可能的。CHO细胞作为目前最常用的抗体工程的表达系统，其发酵和纯化工艺成熟，且与其他常用的表达系统相比，其进化地位与人类细胞最为接近，表达的抗体在糖基化和构象等特性方面与人体内的天然抗体最为接近，因此用CHO细胞作为SIgA 表达的宿主细胞是一种较好的选择。

5结语

与普通的非分泌型抗体相比，SIgA局部用于呼吸道或消化

道，使用方便，使用剂量小，无须进入血液，其纯度要求不必过高，因此非常适合于在特定条件下的紧急生产制备。而重组SIgA 作为基因工程抗体产品，对于进一步研究SIgA阻断细菌和病毒的黏附机制有着重要的意义。

参考文献

[1]Corthesy B．Recombinant immunoglobulin A:powerful tools for fun-

damental and applied research[J]．Trends Biotechnol,2002,20(2): 65－71．

[2]Snoeck V,Peters I R,Cox E．The IgA system:a comparison of

structure and function in different species[J]．Vet Res,2006,37(3): 455－467．

[3]Woof J M,Kerr M A．The function of immunoglobulin A in immu-

nity[J]．J Pathol,2006,208(2):270－282．

[4]Hanson L A,Korotkova M．The role of breastfeeding in prevention

of neonatal infection[J]．Semin Neonatol,2002,7(4):275－281．

[5]Kramer D R,Sutherland R M,Bao S,et al．Cytokine mediated ef-

fects in mucosal immunity[J]．Immunol Cell Biol,1995,73(5):389－396．

[6]Ehrhardt R O,Strober W,Harriman G R．Effect of transforming

growth factor(TGF)－beta1on IgA isotype expression．TGF－beta1 induces a small increase in sIgA＋B cells regardless of the method of B cell activation[J]．J Immunol,1992,148(12):3830－3836．

[7]Vajdy M,Kosco－Vilbois M H,Kopf M,et al．Impaired mucosal

immune responses in interleukin4－targeted mice[J]．J Exp Med, 1995,181(1):41－53．

[8]Kraehenbuhl J P,Neutra M R．Molecular and cellular basis of im-

mune protection of mucosal surfaces[J]．Physiol Rev,1992,72(4): 853－79．

[9]Corthesy B．Recombinant secretory immunoglobulin A in passive im-

munotherapy:linking immunology and biotechnology[J]．Curr Pharm Biotechnol,2003,4(1):51－67．

[10]Mestecky J,Tomana M,Czerkinsky C,et al．IgA－associated renal

diseases:immunochemical studies of IgA1proteins,circulating im-mune complexes,and cellular interactions[J]．Semin Nephrol,1987, 7(4):332－335．

[11]Chintalacharuvu K R,Raines M,Morrison S L．Divergence of hu-

man alpha－chain constant region gene sequences．A novel recombi-nant alpha2gene[J]．J Immunol,1994,152(11):5299－5304．

[12]Max E E,Korsmeyer S J．Human J chain gene．Structure and ex-

pression in B lymphoid cells[J]．J Exp Med,1985,161(4):832－849．[13]Bastian A,Kratzin H,Fallgren－Gebauer E,et al．Intra－and inter－

chain disulfide bridges of J chain in human S－IgA[J]．Adv Exp Med Biol,1995,371A:581－583．

[14]Johansen F E,Braathen R,Brandtzaeg P．The J chain is essential

for polymeric Ig receptor－mediated epithelial transport of IgA[J]．J Immunol,2001,167(9):5185－5192．

[15]Norderhaug I N,Johansen F E,Schjerven H,et al．Regulation of

the formation and external transport of secretory immunoglobulins[J]．Crit Rev Immunol,1999,19(5－6):481－508．

[16]Ma J K,Hikmat B Y,Wycoff K,et al．Characterization of a re-

combinant plant monoclonal secretory antibody and preventive im-munotherapy in humans[J]．Nat Med,1998,4(5):601－606．

[17]Crottet P,Corthesy B．Secretory component delays the conversion

of secretory IgA into antigen－binding competent F(ab＇)2:a possible implication for mucosal defense[J]．J Immunol,1998,161(10):5445－5453．

[18]Phalipon A,Cardona A,Kraehenbuhl J P,et al．Secretory compo-

nent:a new role in secretory IgA－mediated immune exclusion in vivo[J]．Immunity,2002,17(1):107－115．

[19]Dallas S D,Rolfe R D．Binding of Clostridium difficile toxin A to

human milk secretory component[J]．J Med Microbiol,1998,47(10): 879－888．

[20]Nissim A,Chernajovsky Y．Historical development of monoclonal

antibody therapeutics[J]．Handb Exp Pharmacol,2008,(181):3－18．[21]Zhang Q,Chen G,Liu X,et al．Monoclonal antibodies as thera-

peutic agents in oncology and antibody gene therapy[J]．Cell Res, 2007,17(2):89－99．

[22]Hammarstrom L,Weiner C K．Targeted antibodies in dairy－based

products[J]．Adv Exp Med Biol,2008,606:321－343．

[23]Xiao X,Dimitrov D S．Monoclonal antibodies against viruses and

bacteria:a survey of patents[J]．Recent Patents Anti－Infect Drug Disc,2007,2(3):171－177．

[24]Marasco W A,Sui J．The growth and potential of human antiviral

monoclonal antibody therapeutics[J]．Nat Biotechnol,2007,25(12): 1421－1434．

[25]Huber M,Olson W C,Trkola A．Antibodies for HIV treatment and

prevention:window of opportunity[J]芽Curr Top Microbiol Immunol, 2008,317:39－66．

[26]Ma J K,Hiatt A,Hein M,et al．Generation and assembly of se-

cretory antibodies in plants[J]．Science,1995,268(5211):716－719．[27]Johansen F E,Natvig Norderhaug I,Roe M,et al．Recombinant

expression of polymeric IgA:incorporation of J chain and secretory component of human origin[J]．Eur J Immunol,1999,29(5):1701－1708．

[28]Berdoz J,Blanc C T,Reinhardt M,et al．In vitro comparison of

the antigen－binding and stability properties of the various molecu-lar forms of IgA antibodies assembled and produced in CHO cells [J]．Proc Natl Acad Sci USA,1999,96(6):3029－3034．

[29]Chintalacharuvu K R,Gurbaxani B,Morrison S L．Incomplete as-

sembly of IgA2m(2)in Chinese hamster ovary cells[J]．Mol Im-munol,2007,44(13):3445－3452．

张宝中等：分泌型免疫球蛋白A的研究进展265